Personalisierte Produktanalyse auf orthopädische Wirksamkeit und Tragekomfort

Funktions- und Tragekomfortanalyse mit Bio-Struktur-Interaktion

Durch Aktivierung von Muskeln werden Kräfte freigesetzt, die eine dynamische Bewegung der Körpergliedmaßen zur Folge hat. Durch eine 3D-muskuloskelettale Systemsimulation der physiologischen Prozesse werden detaillierte Gelenkbelastungen von Weich- und Hartgewebe bestimmt. Daraus können realistische physiologische und pathologische Gelenksteifigkeiten ermittelt werden, die dann als wichtige Größe in die Bemessung von Exo- oder Endoprothesen eingehen. Eine zu steif auslegte Prothese oder Implantat für den Patienten kann die vorgesehene Funktion nicht vollständig ausüben und im schlimmsten Fall sogar negative Auswirkungen auf das Gelenk und auf die Bewegung haben. Mit der personalisierten virtuellen 3D-FE-Produktanalyse können die mechanischen Funktionen eines orthopädischen Produkts wie Flexibilität, Steifigkeit und Positionierung durch gezielten Materialeinsatz und Strukturdesign auf die individuellen Gelenk- und Weichgewebebeanspruchungen hin optimiert werden. Durch die Anpassung der Produkte auf die individuellen dynamischen Belastungen erhöht sich ebenfalls der Tragekomfort und schafft damit auch eine persönlichere Bindung zum Produkt. Zudem eröffnen sich durch den digitalen Entwicklungsprozess neue Möglichkeiten für innovative Designkonzepte und in Verbindung mit additiver Fertigung können daraus bezahlbare personalisierte Produkte entstehen. Gewebetypen, wie z.B. die dickere Haut der Fußsohle, besitzen eine hohe elastische Steifigkeit und zusammen mit dem hohen Fettanteil dienen sie nicht nur als Polsterung für komfortables Gehen, sondern dämpfen wegen der hohen Viskosität auch dynamische Lasten ab. Diese mechanische Schutzfunktion der Haut kann krankheits-, verletzungs- oder altersbedingt gestört oder durch zu weiches Schuhwerk degeneriert sein. Eine personalisierte Abstimmung der elastischen und dämpfenden Eigenschaften des Schuhwerks auf die vorliegenden Gewebeeigenschaften würde problematische Bereiche des Gewebes entlasten und durch eine gezieltere Dosis an Belastung die Gewebeelastizität fördern. Ebenfalls werden Lasten von orthopädischen Orthesen oder bei Exoskleletten über Hautsegmente übertragen, die prinzipiell für das Tragen von statischen oder dynamischen Lasten aufgrund ihrer Gewebestruktur nicht ausgelegt sind. Auch hier sind mechanische Gewebeanalysen wichtig, um die mögliche Höhe der übertragbaren Lasten individuell bemessen zu können.

Leistungen:

• Entwicklung von Prozessen für die personalisierte Produkt-Mensch-Interaktion
• Analyse von Produkten auf durch personenspezifische Muskelkraft und durch Gelenkwiderstand hervorgerufene Belastungen (bio- und strukturmechanische Produktfunktionsprüfung)
• Überprüfen der vorgesehenen Funktionen und damit die therapeutische Wirksamkeit des Produkts
• Optimierung des Tragekomforts von Prothesen oder Orthesen bezüglich der Gewebespannungen und -verformungen
• Belastungsgerechte Strukturauslegung für 3D-gedruckte oder mit Composite-Material hergestellte Produkte